表面活性剂对Achromobacter sp. CH-1解毒铬渣的影响

柴立元，陈丽鹃，黄  燕，舒余德，苏艳蓉

 (中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：为提高细菌Achromobacter sp. CH-1(简称为A. sp. CH-1)解毒铬渣过程中酸溶性Cr(Ⅵ)的浸出率，研究不同表面活性剂对A. sp. CH-1的生长及其解毒铬渣效果的影响；通过考察表面活性剂的加入对细菌生长、Cr(Ⅵ)还原、铬渣中Cr(Ⅵ)浸出率以及浸出体系pH值的影响，评价不同表面活性剂促进A. sp. CH-1解毒铬渣的效果。研究结果表明：加入低浓度的表面活性剂对A. sp. CH-1菌的生长及其还原Cr(Ⅵ)没有显著影响；阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、非离子型表面活性剂吐温60、吐温80都能提高A. sp. CH-1解毒铬渣的效果，其最佳用量分别为75，200和250 mg/L；在此最佳用量下，铬渣中Cr(Ⅵ)的浸出率比原来分别提高约8%，9%和11%；阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)对铬渣的解毒效果没有明显提高。

关键词：表面活性剂；Achromobacter sp. CH-1；铬渣；生物解毒

中图分类号：X705；Q89         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)01-0041-07

Influence of surfactants on detoxification of

chromium-containing slag by Achromobacter sp. CH-1

CHAI Li-yuan, CHEN Li-juan, HUANG Yan, SHU Yu-de, SU Yan-rong

 (School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: To improve the detoxification of chromium-containing slag by Achromobacter sp. CH-1, different types of surfactants were used to accelerate Cr(Ⅵ) leaching from the chromium-containing slag. The leaching rate of Cr(Ⅵ) and pH in the leaching solution, combined with the growth velocity and Cr(Ⅵ) reduction capability of the bacterial in different concentrations of the surfactants were used to evaluate the effects of the surfactants on the detoxification of chromium-containing slag by A. sp. CH-1. The results show that when relatively low-concentration are added to the medium, the growth and Cr(Ⅵ) reduction ability of the bacterial are equal to those when there is no surfactant in the medium. Anionic surfactant sodium dodecyl sulphate(SDS), nonionic surfactants Tween 60 and Tween 80 can all improve the leaching rate of Cr(Ⅵ) of 8%, 9%, and 11%, respectively, with optimal dosages of 75, 200, and 250 mg/L. When the cationic surfactant dodecyl trimethyl ammonium bromide(DTAB) is in the medium, there is no obvious influence on the detoxifcation of chromium-containing slag by A. sp. CH-1.

Key words: surfactants; Achromobacter sp. CH-1; chromium-containing slag; detoxification

铬渣是铬化合物生产过程中排出的含有剧毒物质的废渣，其毒性主要来源于其中的六价铬。铬渣解毒主要包括利用还原性物质(如硫酸亚铁等)的湿法化学还原和在高温下与煤粉等反应的干法还原^[1]。近年来，利用微生物还原六价铬的生物还原法^[2-7]也得到了长足的发展。戴昊波等^[2]提出了化学-生物耦合治理铬渣新工艺；柴立元等^[3-4]提出了细菌解毒铬渣及其选择性回收新技术，分离获得的Achromobacter sp. CH-1(简称A. sp. CH-1)能在高碱度高Cr(Ⅵ)浓度的情况下有效还原Cr(Ⅵ)。但是，铬渣是高温烧结的产物，其中，六价铬习惯上可分为水溶性Cr(Ⅵ)和酸溶性Cr(Ⅵ)^[8]。在硅酸钙-铬酸钙、铁铝酸钙-铬酸钙固溶体中，铬酸钙(CaCrO₄)存在于硅酸钙和铁铝酸钙晶格内，即为酸溶性Cr(Ⅵ)。酸溶性Cr(Ⅵ)不易溶出，且因其钙镁含量高，极易水泥化板结，Cr(Ⅵ)的浸出过程缓慢持久，成为还原解毒过程的限速步骤^[5]。因此，在细菌解毒铬渣过程中，强化酸溶性Cr(Ⅵ)的浸出对提高解毒效率非常关键。微生物浸出体系涉及微生物、溶液、矿物等多相界面作用，通过调节矿物表面和微生物细胞外膜的性质可强化微生物与矿物之间的界面作用，提高浸出率^[9]。表面活性剂可以改变矿物表面性质，增强矿物的亲水性，有利于细菌与矿物接触，同时，它还能提高细菌细胞膜的通透性^[10]，有些表面活性剂在微生物浸矿中对细菌浸出有促进作用^[11-13]。为此，本文作者通过添加表面活性剂来促进铬渣中Cr(Ⅵ)的浸出，从而强化A. sp. CH-1对铬渣的解毒效果，研究加入不同种类及用量的表面活性剂对A. sp. CH-1菌解毒铬渣的影响，探索提高解毒效果的方法。

1  实  验

1.1  菌种与培养基

所用菌种为本研究组分离驯化的耐高碱度及高Cr(Ⅵ)浓度的高效Cr(Ⅵ)还原菌株A. sp. CH-1。实验室所用培养基质量浓度为：自制碳源5 g/L，自制氮源5 g/L，氯化钠2 g/L。

1.2  铬  渣

铬渣取自原长沙铬盐厂遗留陈渣，其化学组成见表1。将采集的样品放在温度为105 ℃的烘箱内干燥 4 h，烘干后进行振动、磨床磨渣，过孔径为0.3 mm的筛，混匀后继续于温度为105 ℃的烘箱内干燥至质量恒定。

表1  铬渣的化学组成

Table 1  Chemical composition of chromium-containing slag

1.3  实验及分析方法

1.3.1  A. sp. CH-1的培养

向含Cr(Ⅵ) 500 mg/L(用K₂Cr₂O₇配制)的自制培养基中加入系列浓度梯度的不同表面活性剂(均采用蒸馏水配制)作为培养体系(pH值为9.5)，分别接种20%的A. sp. CH-1，于温度为30 ℃、转速为110 r/min水浴摇床中培养，考察不同表面活性剂的加入对细菌生长情况和体系中Cr(Ⅵ)浓度变化的影响。细菌生长情况通过比浊法测定，Cr(VI)浓度采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB/T 15555.4—1995)进行测定。

1.3.2  A. sp. CH-1解毒铬渣

称量一定质量铬渣置于锥形瓶中，加入100 mL细菌接种量为20%的自制培养基体系，调节pH值至9.5后置于温度为30 ℃、转速为110 r/min水浴摇床，对铬渣进行解毒。隔天用培养基补充蒸发所损失的水分，定时取出1瓶测量浸出液的pH值，过滤渣烘干后测量渣中Cr(Ⅵ)的含量变化。Cr(Ⅵ)的浸出率即为铬渣解毒前后Cr(Ⅵ)含量之差与原渣中Cr(Ⅵ)含量之比。铬渣中Cr(VI)的含量采用全量Cr(Ⅵ)溶取法测  定^[14]，液固比为100?1，即往250 mL的锥形瓶中加入1 g铬渣，再加入液固比为1?10的H₃PO₄ 100 mL，封口后置于温度为121 ℃的环境中加热30 min，冷却后测定Cr(VI)浓度。

1.3.3  铬渣表面化学成分及形貌变化分析

铬渣经细菌处理后过滤烘干，原渣及处理后渣的表面形貌用扫描电镜(JSM-6360LV)观察，表面化学成分用能谱仪(EDX-GENESIS 60S)测定。

2  结果与讨论

2.1 表面活性剂对A. sp. CH-1还原Cr(Ⅵ)的影响

表面活性剂对细菌膜中的脂类具有溶解作用，若加入过量的表面活性剂，则会影响细菌的生长，表现为在相同培养时间内细菌浓度降低^[11]。因此，需要确定表面活性剂对A. sp. CH-1还原Cr(Ⅵ)的最小抑制浓度。将不同浓度梯度的各种表面活性剂加入初始Cr(Ⅵ)质量浓度为500 mg/L的A. sp. CH-1还原体系中，18 h后取样测量其在600 nm处的吸光度A以及分析体系中剩余的Cr(Ⅵ)浓度。

2.1.1  阴离子型表面活性剂SDS对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响

SDS对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响如图1所示。从图1可以看到，当表面活性剂SDS质量浓度为25~75 mg/L时，基本不影响A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)的还原；培养18 h后，A均超过0.8，A. sp. CH-1的生长进入对数期，并且体系中Cr(Ⅵ)几乎被完全还原；当培养基中含有100 mg/L SDS时，菌体生长和Cr(Ⅵ)的还原受到一定抑制，培养18 h后吸光度A低于0.8， 约11% Cr(Ⅵ)没有被还原；质量浓度为150 mg/L 的SDS使菌体生长极其缓慢，且菌体几乎失去了还原Cr(Ⅵ)的能力。因此，阴离子型表面活性剂SDS的最小抑制质量浓度为100 mg/L。

1—A; 2—ρ(Cr(Ⅵ))

图1  SDS对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响

Fig.1  Influences of SDS on growth of bacteria and reduction of Cr(Ⅵ) by A. sp. CH-1

2.1.2 吐温80 A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响

吐温80对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响如图2所示。可见，表面活性剂吐温80在质量浓度低于250 mg/L时，对A. sp. CH-1的生长没有明显抑制作用，且Cr(Ⅵ)几乎完全被还原；质量浓度为250 mg/L的吐温80对菌体生长和Cr(Ⅵ)的还原有微弱抑制；当质量浓度为350 mg/L的吐温80存在时菌体完全不能生长。吐温60对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响的实验结果与吐温80的实验结果相同。其原因可能是非离子表面活性剂吐温类性质均较离子表面活性剂温和，故其对A. sp. CH-1的最小抑制质量浓度较大，为250 mg/L。

1—A; 2—ρ(Cr(Ⅵ))

图2  吐温80对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)的还原的影响

Fig.2  Influences of Tween 80 on growth of bacteria and reduction of Cr(Ⅵ) by A. sp. CH-1

2.1.3  阳离子型表面活性剂DTAB对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响

阳离子型表面活性剂DTAB对A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)还原的影响如图3所示。可以看出，阳离子表面活性剂DTAB对A. sp. CH-1还原Cr(Ⅵ)的最小抑制质量浓度较小，仅为20 mg/L；当超过此质量浓度时，A. sp. CH-1的生长和Cr(Ⅵ)的还原能力受到严重影响。大部分阳离子表面活性剂杀菌能力很强，其对A. sp. CH-1也有较大的毒性，故DTAB只有在质量浓度很低时才不抑制其生长及其对Cr(Ⅵ)的还原。

1—A; 2—ρ(Cr(Ⅵ))

图3  DTAB对A. sp. CH-1的生长和Cr(Ⅵ)还原的影响

Fig.3  Influences of DTAB on growth of bacteria and reduction of Cr(Ⅵ) by A. sp. CH-1

2.2  表面活性剂对A. sp. CH-1解毒铬渣的影响

考察多种表面活性剂如阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、非离子型表面活性剂吐温60、吐温80以及阳离子型表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)对A. sp. CH-1解毒铬渣(液固比均为20?1)过程中Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值的影响。

2.2.1 阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对A. sp. CH-1解毒铬渣的影响

SDS对CH-1菌解毒铬渣过程中Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值的影响如图4所示。可以看出，Cr(Ⅵ)的浸出率随着浸出时间的延长而不断上升，浸出体系pH值起初逐渐下降而后趋于平稳。当SDS质量浓度为20，50，75和100 mg/L时，Cr(Ⅵ)的浸出率比不加时均有所提高，浸出体系的pH值比不加时有所降低。其中，当SDS质量浓度为75 mg/L时浸出效果最佳，5 d后浸出率达到56.95%，较不加时Cr(Ⅵ)的浸出率(49.25%)提高7.7%。

ρ(SDS)/(mg?L^-1)：1—0；2—20；3—50；4—75；5—100

图4  加入SDS时Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值随时间的变化

Fig.4  Leaching rate of Cr(Ⅵ) and pH of leaching solution as functions of time during detoxification process in presence of SDS

2.2.2 非离子型表面活性剂吐温60对A. sp. CH-1解毒铬渣的影响

非离子型表面活性剂吐温60对A. sp. CH-1解毒铬渣过程中Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值的影响如图5所示。可见，其加入效果与阴离子型表面活性剂SDS的类似。吐温60的加入对Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系的pH值均有影响，浸出体系pH值与不加吐温60时相比略有降低，吐温60最佳加入质量浓度为200 mg/L，5 d后浸出率为58%，与不加吐温60时相比提高8.75%。

ρ(吐温60)/(mg?L^-1)：1—0；2—50；3—100；

4—200；5—250

图5  加入吐温60时Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值随时间的变化

Fig.5  Leaching rate of Cr(Ⅵ) and pH of leaching solution as functions of time during detoxification process in presence of Tween60

2.2.3 非离子型表面活性剂吐温80对A. sp. CH-1解毒铬渣的影响

吐温80对A. sp. CH-1解毒铬渣过程中Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值的影响如图6所示。可见，其影响效果与加入SDS和吐温60时的效果类似，所不同的是，加入吐温80比加入SDS和吐温60的浸出效果更加显著，浸出率最高可达到60%；与不加吐温80时相比，Cr(Ⅵ)的浸出率(49.25%)提高约11%。吐温80的最佳质量浓度为250 mg/L，5 d后浸出体系pH值降至8.47。

ρ(吐温80)/(mg?L^-1)：1—0；2—50；3—100；

4—200；5—250

图6  加入吐温80时Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值随时间的变化

Fig.6  Leaching rate of Cr(Ⅵ) and pH of leaching solution as functions of time during detoxification process in presence of Tween80

2.2.4 阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)对A. sp. CH-1解毒铬渣的影响

DTAB对A. sp. CH-1解毒铬渣过程中Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值的影响如图7所示。可见，加入DTAB对Cr(Ⅵ)的浸出率并无明显提高，浸出体系pH值随时间的变化趋势也与未加表面活性剂时的变化趋势相似。当DTAB质量浓度为20 mg/L时，Cr(Ⅵ)浸出率略有提高，5 d后浸出率为50.85%，与不加DTAB时相比，Cr(Ⅵ)的浸出率提高仅约1.6%。

ρ(DTAB)/(mg?L^-1)：1—0；2—10；3—20；4—30

图7  加入DTAB时Cr(Ⅵ)的浸出率以及浸出体系pH值随时间的变化

Fig.7  Leaching rate of Cr(Ⅵ) and pH of leaching solution as functions of time during detoxification process in presence of DTAB

2.3  液固比对表面活性剂效果的影响

实验表明，质量浓度为250 mg/L的吐温80对A. sp. CH-1解毒铬渣的促进作用最明显，在此条件下研究液固比对表面活性剂效果的影响。

考察液固比分别为10?1，20?1和50?1时加入表面活性剂吐温80对A. sp. CH-1解毒铬渣过程中Cr(Ⅵ)浸出率的影响，即在吐温80质量浓度为250 mg/L、体积为100 mL的浸出体系中，分别加入10，5和2 g铬渣，解毒5 d后测量铬渣中Cr(Ⅵ)的浸出率，结果见图8。

图8  液固比对Cr(Ⅵ)浸出率的影响

Fig.8  Leaching rates of Cr(Ⅵ) at different ratios of liquid to solid

从图8可以看到，随着液固比的提高，铬渣中Cr(Ⅵ)的浸出率也逐渐提高，但表面活性剂的提高效果呈下降趋势：在液固比为10?1时，加入吐温80与未加时相比Cr(Ⅵ)的浸出率提高12%，而在液固比为50?1时仅提高4%。因此，在实验条件下，10?1为最佳液固比。

2.4  铬渣处理前后表面化学成分及形貌变化分析

铬渣的EDS及SEM像见图9。可见，细菌解毒前铬渣表面呈规则的晶体状(图9(a))，经细菌作用后，铬渣表面有明显被溶蚀的痕迹(图9(b))，光滑的铬渣表面有一定的龟裂现象，说明在细菌作用下，原有的铬渣表面遭到一定程度的破坏，但加入表面活性剂后解毒渣(图9(c))没有呈现更明显的破坏效果。铬渣的表面能谱分析结果表明，未经细菌解毒的铬渣中Cr的质量分数为4.63%(图9(a))，而经细菌解毒的铬渣中Cr的质量分数降至1.55%(图9(b))，加入表面活性剂的细菌解毒渣Cr的质量分数则降为1.12%(图9(c))。Mg²⁺含量由浸出前的30.72%分别下降到26.02%和21.90%，反映出细菌浸出对渣中方镁石的溶解作用，加入表面活性剂后这种溶解作用更强。降低铬渣中方镁石的含量，减少渣中游离的氧化镁，对于铬渣的综合利用特别是作为建筑材料的应用具有重要意义。

(a) 原渣；(b) 细菌解毒渣；(c) 加入吐温80的细菌解毒渣

图9  铬渣的EDS及SEM像

Fig.9  EDS and SEM images of chromium-containing slag

3  结  论

a. 加入质量浓度较低的表面活性剂时，A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)的还原不受影响，但当表面活性剂的浓度超过一定范围时，抑制A. sp. CH-1的生长及其对Cr(Ⅵ)的还原。不同类型表面活性剂对A. sp. CH-1的最小抑制质量浓度不同。

b. 加入阴离子表面活性剂SDS、非离子型表面活性剂吐温60和吐温80都能提高铬渣的解毒效果并使浸出体系的pH值有所降低，其最佳质量浓度分别为75，200和250 mg/L，在此最佳质量浓度下，铬渣中Cr(Ⅵ)的浸出率分别比原来提高约8%，9%和11%。而阳离子表面活性剂DTAB对提高铬渣的解毒效果不明显。

c. 表面活性剂的作用在液固比较小时更加显著。加入表面活性剂对解毒铬渣的表面形貌没有明显影响，但更有利于铬渣中方镁石的浸出。

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收稿日期：2008-07-05；修回日期：2008-08-28

基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2006AA06Z374)；湖南省科技计划项目(2008SK2007)；长沙市科技计划项目(K0802144-31)

通信作者：柴立元(1966-)，男，江西万年人，教授，博士生导师，从事废水废渣治理研究；电话：0731-8836921；E-mail: lychai@mail.csu.edu.cn